Пред.
Огл.
След.
Начиная примерно с 1970-ых годов бурное развитие наблюдается у
теории струн. В 2008 году должен быть достроен
Большой Адронный Коллайдер где в том числе и
теория струн будет впервые подвергнута экспериментальной проверке.
В рамках этой теории постулируется, что все фундаментальные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических струн, суть монопольных (т.е. двумерных) осцилляторов, длина которых составляет порядка 10
-35 м (
планковская длина).
На основе теории струн, согласно ожиданиям многих учёных, будет сформулирована так называемая «
единая теория» или «
теория всего», поискам которой Эйнштейн безуспешно посвятил десятилетия.
В начале XXI века теория струн столкнулась с серьёзной трудностью, называемой
проблемой ландшафта , суть которой состоит в том, что теория струн позволяет равноправное существование огромного множества различных вселенных, а не только той, в которой мы существуем. В 2003 году выяснилось *
* См. в оригинале
статью пионера теории струн
Леонарда Сасскинда.
, что существует множество способов свести 10-мерные суперструнные теории к 4-мерной эффективной теории поля. Сама теория струн не давала критерия, с помощью которого можно было бы определить, какой из возможных путей редукции предпочтителен. Каждый из вариантов редукции 10-мерной теории порождает свой 4-мерный мир, который может напоминать, а может и отличаться от наблюдаемого мира. Всю совокупность возможных реализаций низкоэнергетического мира из исходной суперструнной теории называют ландшафтом теории.
Оказывается, количество таких вариантов поистине огромно. Считается, что их число составляет как минимум 10
100; не исключено, что их вообще бесконечное число.
В результате получается удручающая картина. Каков бы ни был наш мир, всегда найдётся способ свести его к суперструнной теории. Таким образом, суперструнная теория не только не противоречит современным экспериментальным данным, но и не будет противоречить никакому эксперименту в обозримом будущем. Это означает, что теория суперструн близка к тому, чтобы потерять ключевое свойство научной теории —
фальсифицируемость.
В течение 2005 года неоднократно высказывались предположения **
** См. статью «
Теория суперструн: в поисках выхода из кризиса».
, что прогресс в этом направлении может быть связан с включением в эту картину
антропного принципа : мы существуем именно в такой Вселенной, в которой наше существование возможно. Включение этого принципа будет являться по сути антикаперниканской революцией, это существенный шаг назад. Не Земля станет центром Вселенной, а сам человек. Пока, однако, всё это на уровне разговоров.
Проблема ландшафта является серьёзной проблема для «внутреннего совершенства» теории струн. Решение этой проблемы с помощи
антропного принципа напоминает использование гильотины для лечения головной боли.
Наиболее реалистичные теории струн в качестве обязательного элемента включают
суперсимметрию поэтому такие теории называются суперструнными. Набор частиц и взаимодействий между ними, наблюдающийся при относительно низких энергиях, практически воспроизводит структуру
стандартной модели в физике элементарных частиц, причём многие свойства
стандартной модели получают изящное объяснение в рамках суперструнных теорий. Здесь мы видим, как одна теория естественным образом вытекает из другой; как свойства в
стандартной модели которые являлись внешними, по отношению к ней, объясняются в теории струн.
В середине 1980-х годов, в ходе
первой суперструнной революции, физики пришли к выводу, что
суперсимметрия,являющаяся центральным звеном теории струн, может быть включена в неё не одним, а пятью способами, что приводит к пяти различным теориям. Все они формулируются в десятимерном пространстве-времени, однако различаются набором частиц и фундаментальной группой
симметрии. В середине 1990-х годов, в ходе
второй суперструнной революции , выяснилось, что все эти теории, на самом деле, тесно связаны друг с другом благодаря определённым дуальностям. Было высказано предположение, что все пять теорий являются различными предельными случаями единой фундаментальной теории, получившей название
М-теории Последние исследования теории струн (точнее, М-теории) затрагивают D-
браны , многомерные объекты, существование которых вытекает из включения в теорию открытых струн. В настоящее время ведутся поиски адекватного математического языка для формулировки этой теории.
В отличие от более общепринятых теорий, таких, как
стандартная модель с её 19 свободными параметрами, которые могут подгоняться для обеспечения согласия с экспериментом, в теории струн свободных параметров нет. Устранение произвольных констант, вывод их на основании более глубокой теории, является ещё одной иллюстрацией идеала новой теории по Эйнштейну.
Несмотря на то, что понимание деталей суперструнных теорий требует серьёзной математической подготовки, некоторые качественные свойства квантовых
струн можно понять на интуитивном уровне. Так, квантовые струны, как и обычные струны, обладают
упругостью , которая считается фундаментальным параметром теории. Упругость квантовой струны тесно связана с её размером. Рассмотрим замкнутую струну, к которой не приложены никакие силы. Упругость струны будет стремиться стянуть её в более мелкую петлю. Классическая интуиция подсказывает, что она может сократиться до точки, но это нарушило бы один из фундаментальных принципов
квантовой механики —
принцип неопределённости Гейзенберга. Характерный размер струнной петли получится в результате балансирования между силой упругости, сокращающей струну, и эффектом неопределённости, растягивающим струну.
Благодаря протяжённости струны решается проблема
ультрафиолетовой расходимости в квантовой теории поля, и, следовательно, вся процедура
регуляризации и перенормировки перестаёт быть математическим трюком и обретает физический смысл. Помните рецептурное отбрасывание виртуальных фотонов с большой энергией «в кредит», с надеждой, что будущая теория объяснить правомочность этого трюка? Вот теория струн и даёт такое объяснение. Действительно, в квантовой теории поля бесконечные значения амплитуд взаимодействия возникают в результате того, что две частицы могут сколь угодно близко подойти друг к другу. В теории струн это уже невозможно: слишком близко расположенные струны сливаются в одну струну.
Интригующим предсказанием теории струн является многомерность Вселенной. Ни теория Максвелла
ни теории
Эйнштейна не дают такого предсказания, поскольку предполагают число измерений заданным (в
теории относительности их четыре). Первым, кто добавил пятое измерение к эйнштейновским четырём, оказался немецкий математик
Теодор Калуца (1919 г.). Обоснование ненаблюдаемости пятого измерения (его компактности) было предложено шведским физиком
Оскаром Клейном в 1926 г.
Требование согласованности теории струн с релятивистской инвариантностью (
лоренц-инвариантностью) налагает жёсткие требования на размерность пространства-времени, в котором она формулируется.
Теория бозонных струн может быть построена только в 26-мерном пространстве-времени, а суперструнные теории — в 10-мерном.
Непротиворечивые и самосогласованные квантовые теории струн возможны лишь в пространствах высшей размерности (больше четырёх, учитывая размерность, связанную со временем). В связи с этим в физике открыт вопрос о размерности пространства-времени. То, что в макроскопическом (непосредственно наблюдаемом) мире дополнительные пространственные измерения не наблюдаются, объясняется в струнных теориях одним из двух возможных механизмов:
компактификация (скручивание до размеров порядка
планковской длины) этих измерений или локализация всех частиц многомерной вселенной (
мультивселенной) на четырёхмерном мировом листе, который и являет собой наблюдаемую часть мультивселенной. Предполагается, что высшие размерности могут проявляться во взаимодействиях элементарных частиц при высоких
энергияx, однако до сих пор
экспериментальные указания на такие проявления отсутствуют. А здесь имеем проблему «внешнего оправдания». Именно эксперимент должен решить, какой из этих двух механизмов реализуется в природе.
Единственная возможность обнаружить присутствие дополнительных измерений — гравитация. Гравитация, будучи результатом искривления пространства-времени, не локализована на бране, и потому гравитоны и микроскопические
чёрные дыры огут выходить вовне. В наблюдаемом мире такой процесс будет выглядеть как внезапное исчезновение энергии и импульса, уносимых этими объектами.
Теория
струн уждается в экспериментальной проверке, однако ни один из вариантов теории не даёт однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить в
критическом эксперименте. Таким образом, теория струн находится пока в «зачаточной стадии»: она обладает множеством привлекательных математических особенностей и может стать чрезвычайно важной в понимании устройства Вселенной, но требуется дальнейшая разработка для того, чтобы принять её или отвергнуть. Поскольку теорию струн, скорее всего, нельзя будет проверить в обозримом будущем в силу технологических ограничений, некоторые учёные сомневаются, заслуживает ли данная теория статуса научной, поскольку, по их мнению, она не является
фальсифицируемой в попперовском смысле.
Разумеется, это само по себе не является основанием считать теорию суперструн неверной. Многие новые теоретические конструкции проходят стадию неопределённости, прежде чем, на основании сопоставления с результатами экспериментов, признаются или отвергаются. Поэтому и в случае теории суперструн требуется либо развитие самой теории, то есть методов расчёта и получения выводов, либо развитие экспериментальной науки для исследования ранее недоступных величин.
Пред.
Огл.
След.
